RAS menghemat 90–99% air, tapi “mengepalkan” nutrien dalam aliran reject dewatering lumpur. Artikel ini membongkar desain kompak untuk menurunkan nitrogen dan fosfor—mengomparasi MBBR dengan presipitasi kimia—serta panduan integrasinya.
Recirculating aquaculture systems (RAS—budidaya resirkulasi) memangkas penggunaan air 90–99% dibanding tambak konvensional, tetapi sekaligus memusatkan limbah (www.sciencedirect.com). Pada 2020, produksi akuakultur global menembus ~122,6 Mt—naik 60% dibanding 1990‑an (www.sciencedirect.com), membuat pengolahan limbah makin kritikal. Limbah RAS kaya nitrogen (N) dan fosfor (P) (www.sciencedirect.com).
Secara fisiologis, ikan mengekskresikan ~85–90% nitrogen sebagai amonia terlarut lewat insang, sedangkan fosfor terutama ada di feses (learn.farmhub.ag). Artinya, pemisahan padatan mekanis (filter/sentrifus) menangkap sebagian besar P (sebagai padatan mengendap), tetapi menyisakan reject yang tinggi nitrogen terlarut—terutama nitrat (learn.farmhub.ag; www.sciencedirect.com). Untuk membandingkan skala beban, reject instalasi pencerna lumpur municipal dapat mengandung ~1718 mg/L NH4‑N dan 122 mg/L PO4‑P (COD 2240 mg/L) (www.mdpi.com)—menggambarkan betapa ekstrem beban nutrien bisa terjadi. Pada akuakultur, meski biasanya lebih rendah, reject sering membawa N terlarut dalam puluhan hingga ratusan mg/L plus P residu.
Desain RAS lazim membatasi nitrat di kolam <100 mg/L NO3‑N untuk mencegah stres ikan (link.springer.com). Karenanya, penghilangan nutrien di side‑stream reject menjadi wajib sebelum air didaur ulang atau dibuang.
Baca juga:
Kontrol pH Limbah Brewery Otomatis: Desain Sistem Netralisasi 6–9
Biofilm MBBR berkecepatan tinggi
Moving‑bed biofilm reactor (MBBR—reaktor biofilm bergerak) memadatkan biomassa nitrifier pada media, sehingga laju nitrifikasi (NH4→NO2→NO3) per volume sangat tinggi. Sistem dua tahap penuh (partial‑nitritation + anoksik) pada reject digester riil mencatat rata‑rata removal N ≈3,9 kg N/m³·hari dengan efisiensi >87% (iwaponline.com)—setara ~0,16 kg N per m³ per jam. Bahkan di salinitas 35 g/L NaCl, carrier khusus mempertahankan ~92% konversi amonia (www.researchgate.net), menonjolkan ketahanan proses.
Untuk desain praktis, asumsi kapasitas nitrifikasi 1–4 kg N/m³·hari masuk akal. Aerasi perlu dijaga (DO—dissolved oxygen ≥6 mg/L), dan media biofilm seperti Kaldnes dibutuhkan (www.sciencedirect.com; iwaponline.com). Denitrifikasi (penghilangan NO3 menjadi N2) dapat ditambahkan di kompartemen anoksik terpisah dengan sumber karbon eksternal seperti metanol atau sumber internal; atau menggunakan anammox (menghilangkan N tanpa penambahan organik) (learn.farmhub.ag; iwaponline.com). Secara operasional, MBBR itu kompak dan sludge yield kecil, namun menuntut energi aerasi dan kontrol biologis presisi (DO, pH) (www.sciencedirect.com).
Pada tahap rekayasa, opsi komersial seperti MBBR modular dan media berbasis foam seperti levapor foam MBBR media lazim dipertimbangkan untuk memaksimalkan area biofilm tanpa menambah jejak lahan.
Presipitasi kimia dan pemulihan struvite
Koagulan berbasis besi (mis. FeCl3), aluminium (mis. aluminium sulfat), atau garam magnesium untuk struvite efektif menghilangkan P terlarut. Dosis garam logam mempresipitasi fosfat (mis. iron phosphate), mencapai >90% removal P. Uji elektrokoagulasi pada efluen sintetis akuakultur bahkan menunjukkan 100% penghilangan total P, walau hanya ~30% ammonia‑N (www.scielo.br). Secara konvensional, dosing “2–4 mg Fe per mg P” dapat mencapai hingga ~95% removal PO4‑P, menyisakan P <1 mg/L. Untuk struvite (MgNH4PO4), pada pH≈9,5 dengan Mg:P ≈1:1, >90% fosfat bisa terpresipitasi—sembari ikut menangkap sebagian NH4‑N (environmentalevidencejournal.biomedcentral.com).
Kelebihan rute kimia adalah footprint sangat kompak dan eliminasi P nyaris tuntas. Kekurangannya: produksi sludge besar dan biaya bahan kimia. Seperti dicatat, metode ini “sering digunakan karena manfaat ekonomisnya, namun menghasilkan banyak sludge” (techxplore.com). Sludge (mis. mengandung ferric) harus dikelola—didewatering dan dibuang.
Dalam praktik, dosing presisi memerlukan pompa akurat; unit seperti dosing pump metering membantu menjaga rasio “mg Fe per mg P” konstan terhadap beban masuk. Setelah reaksi, pemisahan padatan dapat dilakukan di clarifier konvensional atau opsi footprint rendah seperti lamela settler, tergantung tata letak.
Strategi hibrida nutrien dan batasan proses
Kombinasi umumnya optimal: nitrifikasi/denitrifikasi secara biologis untuk N, lalu presipitasi kimia untuk P (dan sebagian NH4 via struvite). Pada beberapa kasus, presipitasi kimia di awal dipilih untuk meredam lonjakan toksik sebelum air memasuki biologi. Penting dicatat, MBBR sendiri minim efek pada P: biological P removal (EBPR—metode anaerob‑aerob bergantian) jarang dipakai di RAS skala kecil. Sebaliknya, presipitasi kimia tidak mengoksidasi nitrogen hingga tuntas—nitrat akan tetap ada. Kesimpulannya, padukan MBBR untuk N dan koagulasi/struvite untuk P (learn.farmhub.ag; iwaponline.com).
Solusi paket nutrien terpadu seperti nutrient removal skids dapat berfungsi sebagai “jembatan” antara loop biologis dan kimia, terutama saat target TP <1 mg/L dan TN satu digit diperlukan.
Energi RO Desalinasi: Tekanan, Fouling, dan Cara Hemat Listrik
Angka desain dan contoh kapasitas
Aliran & beban reject: RAS tipikal menghasilkan padatan yang didewatering sebesar ~5–10% dari flow resirkulasi. Jika overflow 1000 L/jam, air cuci/press belt sludge bisa 30–100 L/jam (5–10% flow) dengan mis. 100 mg/L NH4‑N dan 5 mg/L PO4‑P (0,1–0,2 kgN/hari; 0,005–0,015 kgP/hari). Asumsikan skenario puncak: 50 L/jam reject berisi 200 mg/L N (10 g/jam) = 240 g N/hari. Dengan kapasitas MBBR 3 kg N/m³·hari (iwaponline.com), kebutuhan volume reaktor ≈0,08 m³ (80 L); jika memakai 1 kg N/m³·hari, volumenya ~0,24 m³.
MBBR sizing: contoh CNH4in=100 mg/L, Q=50 L/jam, beban 5 gN/jam (120 g/hari). Pada desain 2 kg/m³·hari, V=(120 g/hari)/(2000 g/m³/hari)=0,06 m³ (60 L). Tambah cadangan 100–200 L. Jaga DO ≥4–6 mg/L; aerasi tipikal ~1–2 kg O2 per m³·hari untuk dukung nitrifikasi. Gunakan basis desain oksigen 4,57 g O2 per g NH4‑N (≈4,6 g O2/g) teroksidasi.
Denitrifikasi: untuk menghilangkan 100% dari 100 mg/L NO3 (<-> broth), denitrifikasi heterotrofik membutuhkan ~2,9 g COD (chemical oxygen demand) per g NO3‑N; untuk 10 g NO3‑N/hari, perlunya ~29 g COD/hari (~100 mL metanol). Reaktor kayu (woodchip) 125 L, HRT 1,7 hari mencapai 96–99% penghilangan NO3‑N (1,5–2,0 g/hari) (link.springer.com). Sebagai pembanding, reaktor campur denitrifikasi kecil dapat menangani 5–10 gN/m³·hari, sehingga 10 gN/hari butuh 1–2 m³ (jika tanpa batasan karbon eksternal).
Presipitasi kimia: untuk menghilangkan 100% dari 5 mg/L P pada 50 L/jam (≈3 g/hari), tambahkan ~6–15 ppm FeCl3 (acuannya 2–3 mg Fe per mg P). Contoh: 3 gP × 2 mgFe/mgP = 6 g Fe (≈15 mg Fe/L pada 400 L larutan reagent). Waktu aduk cepat 3–5 menit di tangki reaksi, lanjut pengendapan di clarifier ber‑HRT 30–60 menit. Air jernih (N sebagian besar tak berubah) bisa kembali ke RAS atau dibuang; endapan FePO4 dikirim ke penampungan lumpur. Untuk struvite, tambahkan Mg (mis. MgCl2) dan naikkan pH ~9–9,5 (NaOH)—menangkap P dan ~50% NH4 sebagai kristal MgNH4PO4 (environmentalevidencejournal.biomedcentral.com). Unit pemisahan padatan yang kompak seperti tube settler bisa ditempatkan setelah flokulasi tergantung footprint.
Integrasi fasilitas dan kontrol proses
Perutean alir: arahkan reject filtrat dewatering ke equalization tank (EQ) untuk meredam fluktuasi—ukuran minimal setara satu siklus dewatering; praktik tipikal 500–1000 L dengan mixer. Kontrol pH & dosing: pasang sensor pH dan pompa dosing untuk koagulan (Fe/Al) dan/atau basa; struvite butuh pH ~9. Dosis disetel terhadap PO4 influen (mis. 2–3 mg Fe per mg P).
Klarifikasi: setelah reaksi, alirkan ke unit pengendap dengan HRT 30–60 menit. Sludge blanket dibuang periodik. Air jernih lanjut ke tahap biologis. Periferal seperti wastewater ancillaries mendukung mixing, instrumentasi, dan valving.
Reaktor biologis: effluent klarifikasi masuk ke MBBR ter‑aerasi, terisi carrier 40–60% volume. Operasikan DO ~5–6 mg/L; blower didesain menyediakan ~10–20% surplus O2 terhadap kebutuhan mikroba (≈4,57 g O2 per g NH4‑N). Platform modular seperti MBBR skid memudahkan pemasangan dekat area dewatering; media alternatif seperti media biofilm sel sarang dapat dipilih sesuai kebutuhan koloni.
Denitrifikasi opsional: jika nitrat harus diturunkan untuk pembuangan akhir, alirkan sebagian effluent MBBR ke tangki anoksik dan dosis metanol (~3 mg C per mg NO3‑N) atau gunakan sumber karbon internal; alternatifnya, fixed‑bed woodchip. Sebagai rule of thumb, untuk 100 g NO3‑N/hari, reaktor denit 0,5–1,0 m³ dengan HRT 0,5–2 hari lazim. Pastikan ventilasi untuk gas N2.
Integrasi: unit ditempatkan dekat area dewatering. Effluent MBBR dapat kembali ke sump RAS (meningkatkan kualitas air) atau ke pembuangan akhir. Sediakan by‑pass ke pembuangan saat maintenance, serta akses pembuangan lumpur presipitat (rake/pompa). Contoh kinerja: penurunan N reject 80–90% dan P 90–99% dimungkinkan; studi pilot woodchip+sand mencapai >96% penghilangan NO3‑N (link.springer.com), sementara sistem MBBR melaporkan ~87% TN removal (iwaponline.com). P fosfat dapat ditekan <1 mg/L.
Target efluen dan pemantauan
Beberapa usulan standar efluen tambak menyasar TN <10–20 mg/L dan TP <1–5 mg/L (www.globalseafood.org; www.globalseafood.org). Untuk reuse internal RAS, nitrat bisa dibiarkan hingga ~50–100 mg/L; tetapi pembuangan lingkungan biasanya mensyaratkan ≤5–10 mg/L N dan <1 mg/L P. Karenanya, side‑stream sebaiknya menghapus ~80–90% P dan N. Kombinasi MBBR (plus denit jika perlu) dan koagulasi‑klarifikasi mampu mencapai itu. Pasang pemantauan inline untuk NH4, NO3, PO4, pH, DO dan flow, sehingga dosing dan aerasi dapat ditutup‑umpan oleh PLC.
Desain Air Near-Sterile Hatchery: Multi-Barrier untuk Survival Larva
Kesimpulan desain dan sumber
Rekayasa side‑stream reject dewatering dalam akuakultur menuntut langkah biologis dan kimia yang saling melengkapi. MBBR (dengan opsi anoksik/anammox) unggul dalam penghilangan N pada beban tinggi (g–kg N/m³·hari) (iwaponline.com), sementara presipitasi kimia (Fe/Al atau struvite) diperlukan untuk menekan P hampir ke nol (www.scielo.br; techxplore.com). Lakukan sizing berdasarkan flow dan konsentrasi nutrien terukur; gunakan kapasitas 2–4 kg N/m³·hari untuk sizing MBBR dan dosis kimia sesuai beban P. Selalu sediakan buffer equalization untuk meredam pulsa dewatering—itulah penopang operasi stabil.
Sumber: tinjauan RAS 2023 (www.sciencedirect.com; www.sciencedirect.com), studi MBBR skala penuh pada reject (iwaponline.com), uji elektrokoagulasi (www.scielo.br), uji denitrifikasi woodchip RAS (link.springer.com), dan laporan efisiensi presipitasi (techxplore.com). Semua data dan pernyataan didukung tautan tersebut.
